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DE102007026923A1 - Zweistufiger Gasreformer - Google Patents

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DE102007026923A1
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Johannes EICHSTÄDT
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Enerday GmbH
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Enerday GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reformer (10), insbesondere Gasreformer (10), zum Umsetzen von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat (26), mit einer Oxidationszone (20), der über eine erste Brennstoffzuführung (12) und eine Oxidationsmittelzuführung (14) ein Gemisch aus gasförmigem oder flüssigem Brennstoff und Oxidationsmittel zuführbar ist, und mit einer der Oxidationszone (20) nachgelagerten Einspritz- und Gemischbildungszone (22), der über eine zweite Brennstoffzuführung (16) weiterer flüssiger oder gasförmiger Brennstoff zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einspritz- und Gemischbildungszone (22) zumindest teilweise durch eine Zerstäubungsdüse (28) ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Reformer, insbesondere einen Gasreformer, zum Umsetzen von flüssigem oder gasförmigen Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat, mit einer Oxidationszone, der über eine erste Brennstoffzuführung und eine Oxidationsmittelzuführung ein Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel zuführbar ist, und mit einer der Oxidationszone nachgelagerten Einspritz- und Gemischbildungszone, der über eine zweite Brennstoffzuführung weiterer flüssiger oder gasförmiger Brennstoff zuführbar ist.
  • Gattungsgemäße Reformer werden häufig im Zusammenhang mit einem Betrieb einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels dazu verwendet, ein wasserstoffreiches Gasge misch, das Reformat oder Synthesegas, zu erzeugen und der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel wie beispielsweise einem SOFC-Brennstoffzellenstapel zuzuführen. Auf der Grundlage elektrochemischer Vorgänge kann die Brennstoffzelle durch die Zuführung dieses wasserstoffreichen Gases elektrische Energie erzeugen. Derartige Brennstoffzellen finden beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich als Zusatzenergiequellen, so genannte APUs ("Auxiliary Power Unit"), ihre Anwendung. Der Reformierungsprozess des Reformers zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat kann nach unterschiedlichen Prinzipien erfolgen. Beispielsweise ist die katalytische Reformierung bekannt, bei der ein Teil des Brennstoffs in einer exothermen Reaktion oxidiert wird. Weiterhin ist das so genannte "Steam-Reforming" zur Erzeugung eines Reformats aus Kohlenwasserstoffen bekannt. Dabei werden Kohlenwasserstoffe mit Hilfe von Wasserdampf in einer endothermen Reaktion zu Wasserstoff umgesetzt. Eine Kombination beider vorgenannten Prinzipien, das heißt eine Reformierung auf der Grundlage einer exothermen Reaktion und der Erzeugung von Wasserstoff durch eine endotherme Reaktion, bei der die Energie für die Dampfreformierung aus der Verbrennung der Kohlenwasserstoffe gewonnen wird, wird als autotherme Reformierung bezeichnet.
  • Ein gattungsgemäßer, die autotherme Reformierungsart ausführender Reformer ist beispielsweise aus der DE 103 59 205 A1 bekannt. Dieser dem Stand der Technik angehörende zweistufige Reformer weist zwei Brennstoffzuführungen und zwei Oxidationsmittelzuführungen auf, jeweils eine beider Zuführungen für die Oxidationszone und die Einspritz- und Ge mischbildungszone. Dadurch wird eine deutliche Homogenisierung des Temperaturprofils in dem Reformer und somit eine Verbesserung des Reformerverhaltens erzielt. So wird bei diesem bekannten Reformer zunächst Brennstoff und Oxidationsmittel, das üblicherweise Luft ist, der Oxidationszone des Reformers zugeführt, in der ein Teil des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel vollständig oxidiert. Durch die Oxidation entsteht ein gasförmiges Oxidationsprodukt, das nachfolgend als so genanntes Rauchgas bezeichnet wird. Dieses Rauchgas gelangt anschließend in die der Oxidationszone nachgelagerten Einspritz- und Gemischbildungszone des Reformers, bei der über eine zweite Brennstoffzuführung erneut weiterer Brennstoff zugeführt wird. So findet in der Einspritz- und Gemischbildungszone eine weitere Brennstoffverdampfung statt, so dass sich das zur Reformierung notwendige unterstöchiometrische Brennstoff/Luft-Verhältnis im vorliegenden Gemisch einstellt. Dieses Gemisch wird anschließend einer Reformierungs- oder Reaktionszone, die beispielsweise zumindest teilweise durch einen Katalysator des Reformers ausgebildet werden kann, zugeführt. Dadurch kann unter Durchführung einer katalytischen partiellen Oxidation (CPOX) das Reformat gewonnen werden. Um einen möglichst effizienten Reformierungsbetrieb zu gewährleisten, sollte dem Katalysator ein möglichst homogenes Gemisch zugeführt werden. Um dieses Gemisch im Zusammenhang mit unterschiedlichen Leistungen oder Betriebszuständen des Reformers erzeugen zu können, ist jedoch eine komplexe Gemischbildung erforderlich. Insbesondere die Modulierbarkeit beziehungsweise Einstellbarkeit der Gemischbildung stellt immer wieder im Zusammenhang mit zweistufigen Reformern eine Herausforderung dar.
  • Weiterhin ist aus der DE 103 57 474 A1 ein System zum Umsetzen von Brennstoff und Luft zu Reformat bekannt, das einen einstufigen Reformer umfasst. Der Reformer umfasst eine Reaktions- beziehungsweise Reformierungszone, der zum Zuführen eines Brennstoff/Luft-Gemisches eine Düse nach Art einer Venturidüse vorgelagert ist. Dabei dient diese Düse zu Erzielung einer möglichst homogenen Durchmischung des Brennstoffs und der Luft, wodurch die Effizienz des Reformierungsbetriebs gesteigert werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen zweistufigen Reformer derart weiterzubilden, dass eine möglichst homogene Durchmischung von Brennstoff und dem von der Oxidationszone stammenden Gemisch in der Einspritz- und Gemischbildungszone, wie sie im Zusammenhang mit bekannten einstufigen Reformern anhand einer Düse verwirklicht wird, auch bei zweistufigen Reformern realisierbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Der erfindungsgemäße Reformer baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die Einspritz- und Gemischbildungszone zumindest teilweise durch eine Zerstäubungsdüse ausgebildet wird. Durch den Einsatz einer solchen modifizierten Düse kann der Aufbau der Gemischbildungszone wesentlich vereinfacht werden, wobei gleichzeitig eine deutlich bessere homogene Durchmischung des weiteren gasförmigen oder flüssigen Brennstoffs und des von der Oxidationszone stammenden Gasgemischs erzielt wird. Die Ausbildung der Gemischbildungszone als Zerstäubungsdüse gewährleistet eine homogene Durchmischung von dem aus der Oxidationszone stammenden Gasgemisch mit dem durch die zweite Brennstoffzuführung hinzugeführten weiteren Brennstoff in einem weiten Leistungsbereich des zweistufigen Reformers.
  • Der erfindungsgemäße Reformer kann in vorteilhafter Weise derart weitergebildet werden, dass die Zerstäubungsdüse nach Art einer Venturidüse ausgebildet ist. Insbesondere die Verwendung einer nach Art einer Venturidüse ausgebildeten Zerstäubungsdüse ermöglicht eine besonders homogene Durchmischung des weiteren Brennstoffs und des Gasgemischs.
  • Weiterhin kann der erfindungsgemäße Reformer so ausgebildet werden, dass die Einspritz- und Gemischbildungszone zylinderförmig ausgebildet und koaxial zur Oxidationszone angeordnet ist und von der Oxidationszone in der Form einer zylindermantelförmig ausgebildeten Oxidationszone derart umgeben wird, dass eine Wärmeübertragung zur Zerstäubungsdüse ermöglicht wird. Durch die koaxiale Anordnung der Einspritz- und Gemischbildungszone und der diese umgebenden Oxidationszone wird weiterhin eine Wärmeübertragung ermöglicht, die insbesondere das Verdampfungsverhalten des Gasgemischs in der Zerstäubungsdüse positiv beeinflussen kann.
  • Darüber hinaus zeichnet sich der erfindungsgemäße Reformer dadurch aus, dass sich die zweite Brennstoffzuführung zumindest abschnittsweise in einen Abschnitt der Zerstäu bungsdüse mit kleinstem Durchmesser erstreckt oder sich über den Abschnitt mit kleinstem Durchmesser hinaus in der Venturidüse erstreckt.
  • Ferner kann der erfindungsgemäße Reformer so verwirklicht werden, dass der Einspritz- und Gemischbildungszone eine Reaktionszone nachgelagert ist, die einen Katalysator umfasst.
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitende Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen zweistufigen Reformers.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen zweistufigen Reformers 10, der insbesondere als ein zweistufiger Gasreformer 10 ausgeführt ist. Der erfindungsgemäße Reformer 10 ist im Wesentlichen von zylindrischer Gestalt und umfasst eine Oxidationszone 20, der gasförmiger Brennstoff und Oxidationsmittel über eine erste Brennstoffzuführung 12 und eine Oxidationsmittelzuführung 14 zuführbar ist. Als Brennstoff kommt beispielsweise Erdgas, gasförmiger Diesel oder gasförmiges Benzin in Frage, das Oxidationsmittel ist in der Regel Luft. Durch die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs und des Oxidationsmittels entsteht ein Gasgemisch 18, das in die Oxidationszone 20 strömt und dort zumindest teilweise oxidiert, so dass ein Rauchgas in der Oxidationszone 20 ausgebildet wird. In der Oxidationszone 20 findet somit eine Umsetzung von gasförmigen Brennstoff und Oxidationsmittel in einer exothermen Reaktion statt. Die Oxidationszone 20 ist im dargestellten Fall als ein zylindrischer Mantel ausgebildet, der eine koaxial dazu angeordnete Einspritz- und Gemischbildungszone 22 und eine Reaktionszone 24 zumindest teilweise umgibt. Von der zylindermantelförmigen Oxidationszone 20 gelangt beziehungsweise strömt das Gasgemisch 18 beziehungsweise das Rauchgas in die der Oxidationszone 20 nachgelagerten Einspritz- und Gemischbildungszone 22, die im Wesentlichen in der Form eines zur Oxidationszone 20 koaxialen Zylinders ausgebildet ist und von der zylindermantelförmigen Oxidationszone 20 zumindest teilweise umgeben wird. Dabei ist ein Übergang von der Oxidationszone 20 zur Einspritz- und Gemischbildungszone 22 derart ausgebildet, dass das Gasgemisch im Wesentlichen um 180° umgelenkt wird und somit Gegenläufig in der Einspritz- und Gemischbildungszone 22 bezüglich der Oxidationszone 20 strömt. Die Einspritz- und Gemischbildungszone 22 ist als eine Zerstäubungsdüse 28 nach Art einer Venturidüse ausgeführt, in die sich zumindest abschnittsweise eine zweite Brennstoffzuführung 16 erstreckt. Insbesondere erstreckt sich die zweite Brennstoffzuführung in die Venturidüse bis zu einem Abschnitt 30 kleinsten Durchmessers der Venturidüse; vorzugsweise erstreckt sich die zweite Brennstoffzuführung 16 über den Abschnitt kleinsten Durchmessers in der Venturidüse hinaus, so dass ein Endabschnitt der zweiten Brennstoffzuführung 16 in einem sich in Strömungsrichtung aufweitenden Kegelabschnitt 32 der Venturidüse angeordnet ist. Über die zweite Brennstoffzuführung 16 ist weiterer gasförmiger Brennstoff direkt in die Zerstäubungsdüse 28 einführbar. Die thermische Energie des aus der Oxidationszone 20 stammenden Rauchgases kann dabei zur weiteren Verdampfung des weiteren gasförmigen Brennstoffs beitragen, der durch die zweite Brennstoffzuführung 16 zugeführt wird. Ebenso kann die thermische Energie des Rauchgases teilweise auf das in der Einspritz- und Gemischbildungszone 22 befindliche Gasgemisch dadurch übertragen werden, dass konstruktionsbedingt eine Wärmeübertragung zwischen der Einspritz- und Gemischbildungszone 22, insbesondere der Zerstäubungsdüse nach Art der Venturidüse, und der Oxidationszone 20 ermöglicht wird; beispielsweise kann die Wärmeübertragung durch entsprechende Auslegung einer Zylinderwand der Einspritz- und Gemischbildungszone 22 ermöglicht werden. Das in der Einspritz- und Gemischbildungszone 22 ausgebildete Gasgemisch ist aufgrund der Düsengestalt der Einspritz- und Gemischbildungszone 22 äußerst homogen durchgemischt. Anschließend gelangt das Gasgemisch von der Einspritz- und Gemischbildungszone 22 in die dieser nachgelagerten Reformierungszone oder Reaktionszone 24, die zumindest teilweise durch einen Katalysator ausgebildet wird und ebenso wie die Einspritz- und Gemischbildungszone 22 als koaxialer, von der zylindermantelförmigen Oxidationszone 20 umgebener Zylinder ausgebildet ist. Dort wird das Gasgemisch in einer endothermen Reaktion zu Reformat 26 umgesetzt. Im Anschluss daran strömt das erzeugte Reformat 26 aus dem Katalysator über einen Reformerablass aus und ist beispielsweise einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel zuführbar. Die Reformierungszone 24 und die Oxidationszone 20 können dabei so ausgebildet werden, dass diese in einer wärmeübertragenden Beziehung zueinander stehen, so dass für die endotherme Reaktion benötigte Wärme von der Oxidationszone 20 bezogen werden kann.
  • Der Betrieb des erfindungsgemäßen Reformers 10 gestaltet sich wie folgt. Zunächst werden der gasförmige Brennstoff und das Oxidationsmittel, in diesem Fall Luft, durch die erste Brennstoffzuführung 12 und die Oxidationsmittelzuführung 16 der Oxidationszone 20 zugeführt. Dadurch entsteht ein Gasgemisch, das in der Oxidationszone 20 zumindest teilweise zu einem oxidierten Gemisch 18 beziehungsweise Rauchgas oxidiert. Das so entstandene Rauchgas strömt anschließend von der Oxidationszone 20 in die Einspritz- und Gemischbildungszone 22. Dort wird dem Rauchgas weiterer gasförmiger Brennstoff durch die zweite Brennstoffführung 16 zugeführt. Anschließend gelangt das so entstandene Gasgemisch von der als Zerstäubungsdüse nach Art einer Venturidüse ausgebildeten Einspritz- und Gemischbildungszone 22 mit homogener Durchmischung in den die Reaktionszone 24 ausbildenden Katalysator, in dem es zum Reformat 26 umgesetzt wird und über einen Reformerablass aus dem Reformer 10 ausgelassen wird.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
    • 10
    Gasreformer
    12
    erste Brennstoffzuführung
    14
    Oxidationsmittelzuführung
    16
    zweite Brennstoffzuführung
    18
    Gasgemisch
    20
    Oxidationszone
    22
    Einspritz- und Gemischbildungszone
    24
    Reaktionszone mit Katalysator
    26
    Reformat
    28
    Zerstäubungsdüse
    30
    Abschnitt mit kleinstem Durchmesser
    32
    Kegelabschnitt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10359205 A1 [0003]
    • - DE 10357474 A1 [0004]

Claims (5)

  1. Reformer (10), insbesondere Gasreformer (10), zum Umsetzen von flüssigem oder gasförmigen Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat (26), mit einer Oxidationszone (20), der über eine erste Brennstoffzuführung (12) und eine Oxidationsmittelzuführung (14) ein Gemisch aus gasförmigen oder flüssigen Brennstoff und Oxidationsmittel zuführbar ist, und mit einer der Oxidationszone (20) nachgelagerten Einspritz- und Gemischbildungszone (22), der über eine zweite Brennstoffzuführung (16) weiterer flüssiger oder gasförmiger Brennstoff zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritz- und Gemischbildungszone (22) zumindest teilweise durch eine Zerstäubungsdüse (28) ausgebildet wird.
  2. Reformer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungsdüse nach Art einer Venturidüse ausgebildet ist.
  3. Reformer (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritz- und Gemischbildungszone (22) zylinderförmig ausgebildet und koaxial zur Oxidationszone (22) angeordnet ist und von der Oxidationszone (22) in der Form einer zylindermantelförmig ausgebildeten Oxidationszone (22) derart umgeben wird, dass eine Wärmeübertragung zur Zerstäubungsdüse ermöglicht wird.
  4. Reformer (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Brennstoffzuführung (16) zumindest abschnittsweise in einen Abschnitt (30) der Zerstäubungsdüse mit kleinstem Durchmesser erstreckt oder sich über den Abschnitt (30) mit kleinstem Durchmesser hinaus in der Venturidüse erstreckt.
  5. Reformer (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritz- und Gemischbildungszone (22) eine Reaktionszone (24) nachgelagert ist, die einen Katalysator umfasst.
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